22.05.2015

Сотни генов человека всё еще могут заменить аналогичные гены дрожжей

Несмотря на то что человека и дрожжи разделяет миллиард лет эволюции, у них есть сотни генов с общим происхождением и функциями. Оказывается, около половины таких генов человека всё еще способны заменить соответствующие гены дрожжей. При этом предсказать заменимость по сходству последовательностей или по уровню экспрессии генов в общем случае было нельзя. Зато, как ни странно, заменимость можно было предсказать, зная, в каком процессе участвует ген. Например, гены, отвечающие за инициацию репликации ДНК, были незаменимыми, а почти все гены биосинтеза стерола у дрожжей удалось успешно заменить человеческими вариантами.

Для большинства генов любого организма (70–80%) можно найти ортологи — гены с тем же происхождением — у других, даже довольно отдаленных организмов. Гены-ортологи не обязаны выполнять одни и те же функции — у разных организмов они могут взять на себя разные роли. Особенно располагает к этому дупликация гена, после которой одна из копий может освободиться от давления отбора и попробовать себя в чем-то другом. Тем не менее функция ортологичных генов чаще все-таки остается прежней. У организмов обычно нет повода менять то, что и так работает, особенно если это что-то производится в больших количествах. Поэтому гены меняются медленнее некодирующих последовательностей, а активно работающие гены — и того медленнее.

И все-таки, насколько непохожими могут стать ортологичные гены за миллиарды лет после их отделения от общего предка? Ученые из Техасского университета в Остине решили проверить это достаточно прямолинейным методом. Они выбрали 469 ортологичных генов, которые присутствовали у дрожжей и человека (и притом в единственной копии, чтобы не усложнять картину), и проверили, какие из человеческих генов всё еще подходят для дрожжей — спустя миллиард лет их отдельного развития.

Сначала для каждого из выбранных генов получали штамм дрожжей, у которых этот ген был выключен или даже полностью удален. Гены для эксперимента выбрали такие, чтобы без них дрожжи не могли расти. В полученные штаммы вводили специальные дрожжевые плазмиды с соответствующим геном человека, который либо постоянно работал, либо мог включаться при добавлении определенного вещества. Иногда экспрессию человеческого гена приходилось корректировать, чтобы соответствующий белок не накапливался в токсичных количествах. В итоге почти половину (47%) из отключенных или удаленных генов дрожжей удалось заменить человеческими гомологами. Казалось бы, человек довольно далеко ушел от дрожжей — и тем не менее значительная часть из его протестированных генов всё еще подходит и для дрожжей.

Интересно было узнать, что общего у тех генов человека и дрожжей, которые остались заменяемыми. Ученые оценили 104 характеристики, которые могли повлиять на способность генов заменять друг друга. В их числе были: сходство последовательностей, накопление РНК и белка и их размер, скорости транскрипции и трансляции и многие другие параметры (характеристики были взяты из биологической базы данных KEGG — Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes; рис. 1). Ожидаемым образом существенное значение имело сходство последовательностей, но и оно в большинстве случаев не позволяло предсказать, подойдет ли ген человека, чтобы заменить дрожжевой ортолог. Самые непохожие гены (менее 20% совпадений кодируемых аминокислот) действительно не могли заменить соответствующие гены дрожжей, а самые похожие (более 50% совпадений кодируемых аминокислот) чаще всего подходили в качестве замены. Однако большая часть исследованных генов попадала в промежуточную область — от 20 до 50% сходства кодируемых аминокислот — и по сходству их последовательностей нельзя было предсказать, подойдет ли человеческий белок в качестве замены дрожжевому.

Неожиданным стало то, что заменимость генов нельзя было предсказать и по уровню экспрессии — ведь чем активнее работает ген, тем более рискованно его менять и тем медленнее он эволюционирует. Поэтому можно было бы ожидать, что чем сильнее экспрессируется ген, тем с большей вероятностью он сможет заменить ортологичный ген представителя другого вида, но в общем случае такая закономерность не соблюдалась.

Зато, тоже неожиданно, заменимость ортологичных генов можно было предсказать, зная процесс, в котором участвуют их продукты. Так, гены человека, участвующие в инициации репликации ДНК, не подходили дрожжам, а почти все гены биосинтеза стерола (см. Sterol) — катализирующие переход ацетилкофермента A в холестерин у людей и в эргостерин (см. Ergosterol) у дрожжей — подошли.

Интересной оказалась картина с генами протеасомы — молекулярной машины для уничтожения ненужных белков. Протеасома состоит из нескольких белковых колец, уложенных друг на друга. Внешние кольца состоят из альфа-субъединиц, и они служат воротами протеасомы и контролируют, что попадет внутрь нее. Кольца в середине состоят из бета-субъединиц, способных гидролизовать те белки, которые попадут внутрь протеасомы. Все гены, кодирующие белки альфа-субъединицы, оказались заменимыми, а большая часть генов бета субъединиц была незаменима (рис. 2). При этом белки-продукты незаменимых генов взаимодействовали межу собой. Ученые попытались заменить дрожжевые гены протеасомы генами-ортологами других организмов, помимо человека. И, как и в случае с человеческими генами, чужие гены могли заменить альфа-субъединицы дрожжевых протеасом, но не могли заменить бета-субъединицы. Получается, что части протеасомы подвергались различным давлениям отбора. Здесь опять мы видим разделение по функциям: белки, которые занимались гидролизом, оказались незаменимыми, а белки, составляющие вход в протеасому, можно было заменить соответствующими белками других организмов.

Судя по результатам этой работы, если какие-то гены начинают меняться, они предпочитают делать это в компании ближайших коллег. Действительно, белкам, участвующим в одном и том же процессе, нужно подстраиваться друг под друга, чтобы система в целом оставалась рабочей.

Помимо фундаментального интереса (понять, насколько разошлись аналогичные белки человека и дрожжей) работа дала и важные практические результаты. Ведь на дрожжах, как на одноклеточных организмах, которые быстро размножаются, удобно ставить эксперименты. Однако результаты исследований на дрожжах трудно экстраполировать на то, что имеет самый большой практический интерес, — на биологию человека. Судя по данным ученых, теоретически возможно получить штаммы дрожжей с целыми метаболическими путями, состоящими из человеческих ферментов. В таких «очеловеченных» дрожжах будет удобно исследовать человеческие белки, а также тестировать потенциальные лекарства.

Подготовлено по материалам: Aashiq H. Kachroo, Jon M. Laurent, Christopher M. Yellman, Austin G. Meyer, Claus O. Wilke, Edward M. Marcotte. Systematic humanization of yeast genes reveals conserved functions and genetic modularity // Science. 2015. V. 348. P. 921–925.

Юлия Кондратенко

Источники:

1. elementy.ru